Trong một hệ thống gồm nhiều mạch điều khiển. Hơn nữa trong quá trình điều khiển, nhiều hệ thống được kết hợp với nhau, ví dụ: điều khiển bằng khí nén kết hợp với điện, thủy lực… Để đơn giản quá trình điều khiển, phần tiếp theo sẽ trình bày cách biểu diễn các chức năng của quá trình điều khiển, gồm có: Biểu đồ trạng thái, sơ đồ chức năng và lưu đồ tiến trình. 1.1.Biểu đồ trạng thái 1.1.1. Ký hiệu Phần tử áp suất Công tắc ngắt khẩn cấp Phần tử áp suất Nút đóng Phần tử thời gian Nút đóng và ngắt Tín hiệu rẽ nhánh Nút ngắt Liên kết OR
Công tắc chọn chếđộ làm việc Liên kết AND
Nút tựđộng Phần tử tín hiệu tác động bằng cơ Nút ấn tác động đồng thời Liên kết OR có 1 nhánh phủđịnh Đèn báo
Nút ấn
Hình 6.1. Ký hiệu biểu diễn biểu đồ trạng thái.
1.1.2.Thiết kế biểuđồ trạng thái
- Biểu đồ trạng trạng thái biểu diễn trạng thái các phần tử trong mạch, mối liên hệ giữa các phần tử và trình tự chuyển mạch của các phần tử.
-Trục tọa độ thẳng đứng biểu diễn trạng thái (hành trình chuyển động, áp suất, góc quay…). Trục tọa độ nằm ngang biểu diễn các bước thực hiện hoặc là thời gian hành trình. Hành trình làm việc được chia làm các bước. Sựthay đổi trạng thái trong các bước được biểu diễn bằng đường đậm. Sự liên kết các tín hiệu được biểu diễn bằng đường nét mãnh và chiều tác động được biểu diễn bằng mũi tên.
- Trong mỗi cơ cấu chấp hành, nét liền mảnh phía trên biểu thị cho vị trí của cơ cấu chấp hành ởphía ngoài (đi ra +), và đường liền mảnh ở phía dưới biểu thị cho cơ cấu chấp hành ở phía trong (đi vào -).
Ví dụ 1: Thiết kế biểu đồ trạng thái của qui trình điều khiển sau: Xy - lanh tác dụng hai chiều 1.0 sẽ đi ra, khi tác động vào nút ấn 1.2 hoặc 1.4. Muốn xy - lanh lùi về, thì phải tác động đồng thời 2 nút ấn 1.6 và 1.8.
Biểu đồ trạng thái của xy - lanh 1.0 được biểu diễn trên hình 6.2. Nút ấn 1.2 và 1.4 là liên kết OR. Nút ấn 1.6 và 1.8 là liên kết AND. Xy - lanh đi ra ký hiệu (+), xy - lanh đi vào ký hiệu (-).
Hình 6.2. Biểu đồ trạng thái của xy - lanh 1.0.
Sơ đồ mạch khí nén của qui trình trên được biểu diễn trong hình 6.2.
Hình 6.3. Sơ đồ mạch khí nén. 1.2.Sơ đồ chức năng
1.2.1. Kí hiệu
Hình 6.4. Ký hiệu các bước và lệnh thực hiện.
Sơ đồ chức năng bao gồm các bước thực hiện và các lệnh. Các bước thực hiện được ký hiệu theo số thứ tự và các lệnh gồm tên lệnh, loại lệnh và vị trí ngắt của lệnh.
- Ký hiệu bước thực hiện được biểu diễn ở hình 6.5. Tín hiệu ra a1 của bước thực hiện điều khiển lệnh thực hiện (van đảo chiều, xy - lanh, động cơ…) và được biểu diễn bằng những đường thẳng nằm bên phải và phía dưới ký hiệu của bước thực hiện. Tín hiệu vào được biểu diễn bằng những đường thẳng nằm phía trên và bên trái của ký hiệu bước thực hiện. Bước thực hiện thứ n sẽ có hiệu lực, khi lệnh của bước thực hiện thứ (n - 1) trước đó phải hoàn thành, và đạt được vị trí ngắt của lệnh đó. Bước thực hiện thứ n sẽ được xóa, khi các bước thực hiện tiếp theo sau đó có hiệu lực.
- Ký hiệu lệnh thực hiện được biểu diễn ở hình: gồm 3 phần: tên lệnh, loại lệnh và vị trí ngắt lệnh. Tín hiệu ra ký hiệu của lệnh có thể không cần biểu diễn ở ô vuông bên phải của ký hiệu. Quá đó, ta có thể nhận thấy được một cách tổng thể từ tín hiệu điều khiển ra tới cơ cấu chấp hành. Ví dụ: tín hiệu ra a1 sẽđiều khiển van đảo chiều V1 bằng loại lệnh SH (loại lệnh nhớ, khi dòng năng lượng trong hệ thống mất đi). Với tín hiệu ra A1 từ van đảo chiều điều khiển pít - tông Z1đi ra với loại lệnh NS (không nhớ).
Hình 6.6. Ký hiệu lệnh thực hiện.
1.2.2.Ví dụ thiết kế sơ đồ chứcnăng
Nguyên lý làm việc của máy khoan như sau: sau khi chi tiết được kẹp chặt (xy - lanh 1.0 đi ra), đầu khoan bắt đầu đi xuống (xy - lanh 2.0 đi ra) và khoan chi tiết. Khi đầu khoan đã lùi trở về (xy - lanh 2.0 đi vào), chi tiết được tháo ra (xy lanh 1.0 đi vào).
Sơ đồ chức năng được thiết kế trong hình 6.11. Theo hình 6.11 tín hiệu ra của lệnh thực hiện (ví dụ lệnh thực hiện 1), sẽtác động trực tiếp cơ cấu chấp hành (xy - lanh 1.0 đi ra). Sau khi lệnh thứ nhất thực hiện xong, vị trí ngắt lệnh thực hiện thứ nhất là công tắc hành trình S2, thì bước thực hiện thứ hai sẽ có hiệu lực. Theo qui trình thì lệnh thứ nhất này phải nhớ.
Theo hình 6.12 tín hiệu ra của lệnh thực hiện (ví dụ lệnh thực hiện 1), sẽ tác động trực tiếp lên van đảo chiều, van đảo chiều đồi vị trí và vị trí đó phải được nhớ trong quá trình xy - lanh 1.0 đi ra, tín hiệu ra từ van đảo chiều tác động trực tiếp lên cơ cấu chấp hành (xy - lanh 1.0 đi ra). Giai đoạn này không cần phải nhớ. Sau khi lệnh thứ nhất thực hiện xong, vị trí ngắt lệnh thực hiện thứ nhất là công tắc hành trình S2, thì bước thực hiện thứ hai sẽ có hiệu lực.
Hình 6.5. Ký hiệu bước
Hình 6.7. Nguyên lý làm việc của máy khoan.
Hình 6.8: Sơ đồ mạch khí nén của máy khoan.
Sơ đồ chức năng được thiết kế trên hình 6.9. Theo hình 6.9 tín hiệu ra của lệnh thực hiện sẽtác động trực tiếp lên cơ cấu chấp hành. Sau khi lệnh thứ nhất thực hiện xong, vị trí ngắt lệnh thực hiện thứ nhất là công tắc hành trình S2, thì bước thực hiện thứ hai sẽ có hiệu lực. Theo qui trình thì lệnh thứ nhất này phải được nhớ.
Hình 6.9. Sơ đồ chức năng với tín hiệu ra trực tiếp tác động
lên cơ cấu chấp hành.
Theo hình 6.10 tín hiệu ra của lệnh thực hiện sẽ tác động trực tiếp lên van đảo chiều, van đảo chiều đổi vị trí và vịtrí đó phải được nhớ trong quá trình xy - lanh 1.0 đi ra, tín hiệu ra từ van đảo chiều tác động trực tiếp lên cơ cấu chấp hành (xy - lanh 1.0 đi ra). Giai đoạn này không cần phải nhớ. Sau khi lệnh thứ nhất được thực hiện xong, vị trí ngắt lệnh thực hiện thứ nhất là công tắc hành trình S2, thì bước thực hiện thứ hai sẽ có hiệu lực.
Hình 6.10. Sơ đồ chức năng với tín hiệu ra của ký hiệu lệnh trực tiếp tác động lên van đảo chiều.
1.3.Lưu đồ tiến trình
1.3.1. Ký hiệu
Ký hiệu để biểu diễn lưu đồ tiến trình theo DIN được trình bày trên hình 6.11.
Hình 6.11. Ký hiệu biểu diễn lưu đồ tiến trình.
Lưu đồ tiến trình biểu diễn phương thức giải (thuật toán - algorithmus) của một quá trình điều khiển. Lưu đồ tiến trình không biểu diễn những thông số và phần tửđiều khiển. Lưu đồ tiến trình có ưu điểm là vạch ra hướng tổng quát của quá trình điều khiển và có tác dụng như là phương tiện thông tin giữa người sản xuất phần tử điều khiển và kỹ thuật viên sử dụng phần tửđó.
1.3.2.Ví dụ thiết kế lưu đồ tiến trình
Nguyên tắc hoạt động của mạch điều khiển ở hình 6.12 được thực hiện như sau:
- Bước thực hiện thứ nhất: Khi pít - tông ở vịtrí ban đầu (E1 = 1/E2 = 0), nút ấn khởi động E0tác động.
- Bước thực hiện thứ hai:
Khi pít - tông đi ra đến cuối hành trình, chạm công tắc hành trình E2, pít - tông sẽ lùi về (Z1 -).
- Bước thực hiện thứ ba: Tại vị trí ban đầu, pít - tông chạm công tắc hành trình E1, quá trình điều khiển kết thúc. Quá trình điều khiển được viết như sau:
- Bước thực hiện thứ nhất: E0 E1 E2 = Z1+ E2 - Bước thực hiện thứ hai: E2 = Z1- E1
- Bước thực hiện thứ ba: E1 = kết thúc quá trình điều khiển.
Hình 6.12. Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển.
Hình 6.13. Lưu đồ tiến trình. 2. Phân loại phương pháp điềukhiển
- Điều khiển bằng tay.
- Điều khiển tùy động theo thời gian. - Điều khiển tùy động theo hành trình.
- Điều khiển theo chương trình bằng cơ cấu chuyển mạch. - Điều khiển theo tầng.
- Điều khiển theo nhịp.
- Điều khiển bằng bộ chọn theo bước.
2.1.Điều khiển bằng tay
Điều khiển bằng tay được ứng dụng phần lớn ở những mạch điều khiển bằng khí nén đơn giản, ví dụnhư các đồ gá kẹp chi tiết.
2.1.1. Điềukhiển trực tiếp
Điều khiển trực tiếp có đặc điểm là chức năng đưa tín hiệu và xử lý tín hiệu do một phần tửđảm nhận. Ví dụ mạch điều khiển xy - lanh tác dụng một chiều.
Hình 6.14. Mạch điều khiển trực tiếp.
Hình 6.15 biểu diễn mạch điều khiển bằng tay gồm có phần tửđưa tín hiệu 1.1 và phần tử xử lý tín hiệu 1.2.
Hình 6.15. Mạch điều khiển trực tiếp với phần tử phát và xử lý tín hiệu.
2.1.2.Điều khiển gián tiếp
Pít - tông đi ra và lùi vào được điều khiển bằng phần tử nhớ 1.3. Mạch điều khiển và biểu đồ trạng thái trình bày trên hình 6.16.
Hình 6.16. Mạch điều khiển gián tiếp xy - lanh tác dụng đơn có phần tử nhớ.
Mạch điều khiển xy - lanh tác động hai chiều với phần tử nhớ 1.3 trình bày ở hình 6.19.
Hình 6.17. Mạch điều khiển gián tiếp xy - lanh tác dụng kép có phần tử nhớ.
2.2.Điều khiển tùy động theo thời gian
Điều khiển tùy động theo thời gian được minh họa ở hình 6.18. Khi nhấn nút ấn 1.1 van đảo chiều 1.3 đổi vị trí, pít - tông 1.0 đi ra, đồng thời khí nén sẽ qua cửa X để vào phần tử thời gian 1.2. Sau thời gian (t) van đảo chiều 1.3 đổi vị trí.
Hình 6.18 biểu diễn sơ đồ mạch điều khiển tùy động theo thời gian có chu kỳ tựđộng.
Biểu đồ trạng thái của sơ đồ mạch điều khiển tùy động theo thời gian có chu kỳ tựđộng trình bày trên hình 6.19.
Hình 6.19: Sơ đồ mạch điều khiển tùy động theo thời gian có chu kỳ tựđộng và biểu đồ trạng thái.
- Điều khiển vận tốc:
Hình 6.20. Điều khiển vận tốc bằng van tiết lưu một chiều.
+ Điều khiển vận tốc bằng van tiết lưu một chiều trình bày ở hình 6.20. Khi ấn công tắc 1.1, vận tốc đi ra của xy - lanh phụ thuộc vào độ mở của van tiết lưu, khi ngắt công tắc 1.1, vận tốc đi vào của xy - lanh tăng lên nhờkhí nén thoát qua hai đường van tiết lưu và van một chiều.
+ Điều khiển vận tốc bằng van thoát khí nhanh trình bày ở hình 6.21. Khi ấn công tắc 1.1, vận tốc đi ra của xy - lanh chậm, khi ngắt công tắc 1.1, vận tốc đi vào của xy - lanh tăng lên nhờ khí nén thoát qua van thoát khí nhanh.
Hình 6.21. Điều khiển vận tốc bằng van thoát nhanh. 2.3.Điều khiểntùy động theo hành trình
Cơ sở điều khiển tùy động theo hành trình là vị trí của các công tắc hành trình. Khi một bước thực hiện trong mạch điều khiển có lỗi, thì mạch điều khiển sẽđứng yên.
Hình 6.22: Điều khiển tùy động theo hành trình với 1 xy - lanh.
- Điều khiển tùy động theo hành trình với một xy - lanh có chu kỳ tựđộng trình bày trên hình 6.23.
Mạch điều khiển thực hiện tựđộng nhờ sử dụng nút ấn có rãnh định vị 1.1, chừng nào nút ấn 1.1 ở vị trí b thì mạch sẽ ngừng hoạt động.
Sơ đồ và biểu đồ trạng thái của mạch điều khiển tùy động theo hành trình với một xy - lanh có chu kỳ tựđộng trình bày trên hình 6.23.
Hình 6.23. Điều khiển tùy động theo hành trình một xy - lanh có chu kỳ tựđộng và biểu đồ trạng thái.
- Điều khiển tùy động theo hành trình với một xy - lanh có phần tử thời gian giới hạn thời gian dừng của pít - tông ở cuối hành trình biểu diễn trên hình 6.24
Hình 6.24: Sơ đồ và biểu đồ trạng thái của mạch điều khiển
tùy động theo hành trình với một xy - lanh có phần tử thời gian.
Ví dụ 1: Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo phương pháp điều khiển tùy động hành trình của thiết bị khoan với biểu đồ trạng thái sau: (Hình 6.25)
- Điều khiển với một hành trình
- Điều khiển với chu kỳ tự động ( Hình 6.26) Xylanh B
Xylanh A
1 2 3 4 5 Bước thực hiện
Hình 6.25: Biểu đồ trạng thái của 2 xylanh
+ - + -
Ví dụ 2: Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo phương pháp tùy động theo hành trình với
biểu đồ trạng thái sau: Bài luyện tập:
Hình 6.26: Sơ đồ mạck khí nén điều khiển 2 xylanh với chu kỳ tự động
Bài 1:Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo phương pháp điều khiển tùy động theo hành trình với biểu đồ trạng thái sau (Hình 6.28)
Bài 2: Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo phương pháp điều khiển tùy động theo hành trình với biểu đồ trạng thái sau (Hình 6.29)
Bài 3: Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo phương pháp điều khiển tùy động theo hành trình với biểu đồ trạng thái sau (Hình 6.30)
Hình 6.28: Biểu đồ trạng thái của 3 xylanh
+ - + - Xylanh B Xylanh A 1 2 3 4 5 Bước thực hiện 6 7 + - Xylanh C Nút khởi động
Hình 6.29: Biểu đồ trạng thái của 3 xylanh
+ - + - Xylanh B Xylanh A 1 2 3 4 5 Bước thực hiện 6 7 + - Xylanh C Nút khởi động
Hình 6.30: Biểu đồ trạng thái của 3 xylanh
+ - + - Xylanh B Xylanh A 1 2 3 4 5 Bước thực hiện 6 7 + - Xylanh C Nút khởi động
2.4.Điều khiển theo chương trình bằng cơ cấu chuyển mạch
Điều khiển theo chương trình bằng cơ cấu chuyển mạch có đặc điểm là chương trình được thực hiện bởi các loại cam lắp trên trục phân phối. Khi trục phân phối quay, các cam sẽ quay theo. Vịtrí (độ nâng của cam) tác động lên nòng van, đểthay đổi vị trí của các van đảo chiều.
Chiều dài trục phân phối theo lý thuyết có thể dài bất kỳ, số vòng quay của trục phân phối từ 0,5 - 75 v/phút. Bước thực hiện có thểlên đến 20 bước.
Hình 6.31. Điều khiển theo chương trình bằng trục phân phối của máy tiện tựđộng. 2.5.Điều khiểntheo tầng
Nguyên tắc thiết kế mạch điều khiển theo tầng là chia các bước thực hiện có cùng chức năng thành từng tầng riêng biệt. Phần tửcơ bản của điều khiển theo tầng là phần tử nhớ - van đảo chiều 4/2 hoặc 5/2. Điều khiển theo tầng là bước hoàn thiện của điều khiển tùy động theo hành trình.
- Mạch điều khiển cho hai tầng:
Nguyên tắc hoạt động là khi tầng thứ nhất có khí nén, thì tầng thứ hai sẽ không có khí nén. Có nghĩa là khi a1 = L, thì a2 = 0. Không tồn tại là hai tầng có khí nén cùng một lúc.
Hình 6.32: Mạch điều khiển 2 tầng.
- Mạch điều khiển cho 3 tầng:
Nguyên tắc hoạt động là khi tầng thứ nhất có khí nén, thì tầng thứ hai và thứ ba sẽ không có khí nén. Có nghĩa là khi một tầng có khí nén, thì 2 tầng còn lại sẽ không có khí nén.
Hình 6.33: Mạch điều khiển 3 tầng.
- Mạch điều khiển 4 tầng và n tầng:
Hình 6.34: Mạch điều khiển 4 tầng.
Nguyên lý hoạt động cũng tương tự như đã trình bày ở các mạch trên. Nếu số tầng thực hiện là 4, thì sốvan đảo chiều cần thiết là 3. Tương tự như vậy, nếu số tầng thực hiện là n thì